параметров излучения полупроводниковых лазерных диодов
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» Национальный исследовательский университет Учебно-научный и инновационный комплекс «Новые многофункциональные материалы и нанотехнологии» Исследовательская школа «Наноматериалы и нанотехнологии» Основная профессиональная образовательная программа аспирантуры 01.04.10 Физика полупроводников Название дисциплины Физика полупроводников, Нанофотоника Дикарева Н.В. Карзанова М.В. Некоркин С.М. Измерение энергетических параметров излучения полупроводниковых лазерных диодов с помощью измерителя Lab Max-Top Электронное учебно-методическое пособие Мероприятие 3.1: Развитие системы поддержки ведущих научно-педагогических коллективов, молодых ученых, преподавателей и специалистов Нижний Новгород 2012 2 Измерение энергетических параметров излучения полупроводниковых лазерных диодов с помощью измерителя Lab Max-Top Дикарева Н.В. Карзанова М.В. Некоркин С.М. Электронное учебнометодическое пособие. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012. – 37 с. Настоящее методическое пособие посвящено изучению энергетических параметров полупроводниковых лазерных диодов с помощью измерительного прибора Lab Max-Top. Изложены физические принципы работы приемников излучения (термопарные и пироэлектрические датчики), входящих в комплект оборудования Lab Max-Top, устройство и правила эксплуатации измерительного прибора, принцип работы и основные этапы изготовления объектов исследования (полупроводниковых лазерных диодов), получение и передача данных, обработка результатов. Электронное учебно-методическое пособие предназначено для студентов, магистров, аспирантов ННГУ, обучающихся по основной профессиональной образовательной программе аспирантуры 01.04.10 Физика полупроводников, изучающих курс Физика лазеров, Нанофотоника 2 Содержание Содержание ……………………………………………………………………… 3 Введение …………………………………………………………………………. 4 Глава 1. Устройство и принцип работы полупроводникового лазерного диода ....................................................................................................................... 5 1.1. Введение в физику полупроводниковых инжекционных лазеров …… 5 1.2. Типы лазерных диодов ..………………………………………………… 9 1.3. Основные характеристики инжекционного лазера …………………... 10 Глава 2. Устройство и принцип работы приемников излучения ………. 14 2.1. Основные характеристики приемников излучения …………………... 14 2.2. Типы приемников излучения ………………………………………....... 15 2.2.1. Принцип работы термопарного приемника излучения ………… 16 2.2.2. Принцип работы пироэлектрического приемника излучения ......16 Глава 3. Измеритель мощности Lab Max-Top …………………………….. 19 3.1. Измерения мощности с помощью термопарного датчика ………….. 19 3.2. Измерения энергии с помощью пироэлектрического датчика ……... 20 3.3. Сохранение данных ……………………………………………………..21 3.4. Перенесение данных на Flesh-носитель …………………………….... 22 Глава 4. Описание методик измерения энергетических характеристик..23 4.1. Методика измерения энергетических характеристик в непрерывном режиме накачки …………………………………………………………………..23 4.2. Методика измерения энергетических характеристик в импульсном (импульсно-периодическом) режиме накачки ……………..…………………. 24 Глава 5. Подготовка образцов к измерению ……………………………...... 25 Глава 6. Подготовка оборудования к измерению …………………………. 28 Глава 7. Получение и обработка результатов …………………………….. 30 Приложения ……………………………………………………………………. 31 Литература ……………………………………………………………………... 37 3 Введение Перспективность инжекционных гетеролазеров с квантовыми ямами была осознана более тридцати лет тому назад. Однако до сих пор широкие возможности этих генераторов когерентного света остаются далеко не исчерпанными. Параметры излучения полупроводниковых лазеров являются предметом исследования многих научных коллективов. Наряду со спектральными, постранственно-временными и др. параметрами лазерного излучения, особое место занимают энергетические. Наиболее важным из которых, подлежащим измерению, является выходная мощность излучения Рout. Остальные энергетические характеристики функционально связаны с данным параметром. Настоящее методическое пособие посвящено изучению энергетических параметров полупроводниковых лазерных диодов с помощью измерительного прибора Lab Max-Top. Изложены физические принципы работы приемников излучения (термопарные и пироэлектрические датчики), входящих в комплект оборудования Lab Max-Top, устройство и правила эксплуатации измерительного прибора, принцип работы и основные этапы изготовления объектов исследования (полупроводниковых лазерных диодов), получение и передача данных, обработка результатов. 4 Глава 1. Устройство и принцип работы полупроводникового лазерного диода. Самым распространенным типом полупроводникового лазера является гетеролазер с квантоворазмерной активной областью (с квантовой ямой). Сегодня эффективные лазерные устройства на квантовых ямах применяются для накачки твердотельных лазеров, в волоконно-оптических линиях связи, компьютерной технике, медицине, лазерной дальнометрии и ряде других приложений. Рассмотрим физические основы работы полупроводникового инжекционного лазера с квантовыми ямами на примере лазера, изготовленного на основе материалов InGaAs/GaAs/InGaP. Такие лазеры могут работать в спектральном диапазоне 0.93 - 1.06 мкм. 1.1. Введение в физику полупроводниковых инжекционных лазеров. Уменьшение толщины активного слоя инжекционного лазера до величины, сравнимой с длиной де Бройля для носителей (λ = h/p, где h – постоянная Планка, p – импульс), приводит к двумерному квантованию дискретных уровней. Энергия уровней зависит от величины потенциальных барьеров на границах конечной прямоугольной ямы. При наличии квантовых ям плотность состояний имеет ступенчатое изменение. 8 6 5 4 3 2 1 Eg 7 Рис.1. Лазерная структура и её зонная диаграмма. 1 - подложка n+-GaAs, 2 ограничивающий слой n-InGaP, 3 - волноводный слой нелегированного GaAs, 4 - активная область InGaAs, 5 - ограничивающий слой p-InGaP, 6 - контактный слой p+-GaAs, 7,8 омические золотые контакты к n- и p-типу GaAs соответственно. На рис. 1 показана (не в масштабе) лазерная структура и её зонная диаграмма при прямом смещении p-n перехода, что имеет место при работе инжекционного лазера. Рассмотрим более подробно назначение каждого слоя. 5 В полупроводниковых инжекционных лазерах ограничение световой волны и распространение излучения происходит в диэлектрическом волноводе. На рис. 2 показан плоский симметричный диэлектрический волновод с показателями преломления слоёв n1 (ограничивающие слои) и n2 (волноводный слой). n1 θс n2 n1 Рис.2. Оптический волновод и профиль электрического поля волны для трёх волноводных мод. Для того чтобы световая волна могла без затухания распространяться вдоль плоскости такого волновода, необходимо, чтобы она испытывала полное внутреннее отражение от верхней и нижней границ волноводного слоя. Из этого сразу следуют условия: n2>n1, θc ≤ arcsin(n1/n2) (1) Отраженные от границ лучи интерферируют между собой. Условием максимума интенсивности при интерференции является фазовый сдвиг между интерферирующими волнами, равный 2πn, где n-целое число. Так как сдвиг фаз определяется длиной волны излучения, толщиной волноводного слоя и углом распространения луча θc, то при заданных длине волны и толщине волноводного слоя угол θc может принимать только конечное число дискретных значений. Каждому значению угла соответствует свой профиль электромагнитного поля световой волны в направлении поперёк волновода, называемый собственной модой волновода и своя скорость распространения волны в волноводе. На рис. 2 справа показаны профили интенсивности для основной моды, имеющей один центральный максимум интенсивности, а также первой моды (2 максимума) и второй моды (3 максимума). Известно, что при полном внутреннем отражении света в среду с меньшим показателем преломления проникает экспоненциально спадающий "хвост" электромагнитного поля 6 падающей волны, что отражено на рисунке. Это может привести к тому, что значительная часть энергии электромагнитной волны будет распространяться в ограничивающих слоях. При недостаточной толщине ограничивающих слоёв может происходить "туннелирование" волны из волновода, что приведёт к потерям энергии волны. В лазерных структурах, как правило, выбирают толщины слоёв таким образом, чтобы распространяться с малыми потерями энергии могла только основная волноводная мода. В этом случае говорят об "одномодовом волноводе" или "одномодовой лазерной генерации". Отметим, что здесь мы не рассматриваем профиль электромагнитного поля волны в направлении, перпендикулярном рисунку, считая волновод в этом направлении неограниченным. В реальных лазерах края активной области могут влиять на профиль волны в этом направлении, если ширина активной области становится сравнима с длиной волны излучения. В нашем лазере ограничивающими слоями служит In0.5Ga0.5P, согласованный по параметру решётки с GaAs подложкой и имеющий показатель преломления n1=3.23, а волноводным слоем служит GaAs с показателем преломления n2=3.52 на длине волны около 0.98 мкм. Толщину волноводного слоя обычно выбирают в пределах 0.2 ÷ 0.8 мкм при толщине ограничивающих слоёв 1.0 ÷ 0.6 мкм. В центре волноводного слоя находится активная область InyGa1-yAs, толщиной в пределах 5÷20 нм при содержании индия (In) у = 0.4÷0.1. Ширина запрещённой зоны InyGa1-yAs меньше чем GaAs, поэтому он работает как потенциальная яма, эффективно захватывающая инжектированные p–n переходом носители. В литературе для этой области принято название "квантовая яма". Попавшие в квантовую яму носители могут рекомбинировать как излучательным, так и безызлучательным образом. Для эффективного действия лазера необходимо, чтобы вклад безызлучательной рекомбинации не превышал нескольких процентов от общего числа инжектированных p–n переходом носителей. Варьируя ширину квантовой ямы и содержание в ней In, можно получать лазерные структуры на заданную длину волны. Перекрываемый таким образом диапазон длин волн лежит в пределах 0.93÷1.06 мкм. Поскольку в плоскости квантовой ямы носители могут свободно двигаться, каждый энергетический уровень представляет собой подзону размерного квантования, но в отличие от энергетических зон GaAs плотность состояний носителей в подзонах имеет не квадратичную, а прямоугольную зависимость. В простейшем случае, который обычно имеет место на практике, заполненными носителями оказываются только нижние подзоны электронов и тяжёлых дырок, для излучательных переходов между которыми и наблюдается лазерная генерация. Для возникновения лазерной генерации необходимо усиливающую излучение среду поместить в резонатор для создания положительной обратной связи. В полупроводниковом инжекционном лазере таким резонатором служат плоскопараллельные зеркала, образуемые скалыванием лазерной структуры по кристаллографической плоскости (110), расположенной перпендикулярно плоскости волновода (100). Коэффициент 7 отражения на естественных сколотых гранях около 30%, что достаточно для создания положительной обратной связи, но в современных лазерах с целью вывести всё генерируемое излучение в одну сторону обычно на одну из сколотых граней напыляют многослойное диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения R2>95%, а другую грань просветляют до R1 ≈ 3÷10%. Рекомбинационное излучение может испытывать поглощение на свободных носителях, рассеяние на неоднородностях волновода, выходить из резонатора через полупрозрачные зеркала, а также взаимодействовать с инжектированными носителями, вызывая вынужденное испускание идентичных фотонов. Когда концентрация инжектированных носителей становится достаточно высокой, уровень вынужденного излучения может превысить суммарный уровень потерь и начинается лазерная генерация. Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществами по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами. Очень важно, что эти приборы можно перестраивать, управляя параметрами энергетического спектра. Так, при уменьшении размеров ямы минимальные энергии электронов в зоне проводимости и в валентной зоне увеличиваются и частота, генерируемая лазером, возрастает. Подбирая толщину квантовой ямы, можно добиться, чтобы затухание волны в оптической линии связи, в которую поступает излучение, было минимальным. Кроме того, в двумерном электронном газе легче создать инверсную населенность. Поэтому лазеры на квантовых структурах очень экономны, они питаются меньшим током, нежели другие полупроводниковые лазеры, и дают больше света на единицу потребляемой энергии - до 60% электрической мощности преобразуется в свет. 1.2. Типы лазерных диодов. По режиму работы, существующие полупроводниковые лазеры могут быть разделены на три группы: 1) Лазеры непрерывного режима работы (непрерывные лазеры). В непрерывном режиме работы лазера мощность лазерного излучения на частоте генерирования не обращается в нуль при заданном интервале времени, значительно превышающем период колебаний, т. е. такие лазеры дают непрерывное излучение в течение длительного времени. 2) Лазеры импульсного режима работы (импульсные лазеры). Импульсный режим характеризуется излучением энергии в виде импульсов. В таком импульсном лазере излучение длится очень недолго (от единиц пикосекунд до десятков миллисекунд), и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказывается сжатым, сконцентрированным во времени. Мощность при этом может принимать достаточно большие значения. 3) Лазеры импульсно-периодического режима работы (импульснопериодические лазеры). Импульсно-периодического режим характеризуется излучением энергии в виде импульсов длительностью от единиц пикосекунд до десятков миллисекунд, повторяющихся через одинаковые интервалы времени. 8 Такой режим работы характеризуется длительностью и частотой повторения импульсов. Частота повторения импульсов может варьироваться от долиединицы герц до десятков мегагерц. Если средняя мощность импульснопериодической генерации сопоставима с пиковой мощностью составляющих импульсов, то в этом случае режим генерации имеет квазинепрерывный характер. Такой режим генерации в свою очередь может быть характеризован длительностью импульса и скважностью (отношением периода следования импульса к его длительности). Величина, обратная скважности и часто используемая в англоязычной литературе, называется коэффициентом заполнения (англ. Duty cycle). Режим накачки полупроводникового лазера напрямую связан с режимом генерации излучения (длительность и частота повторения импульсов тока накачки совпадают с длительностью и частотой его излучения). В большинстве случаев это справедливо для полупроводниковых лазеров импульсного и импульсно-периодического режима работы с длительностью импульса от единиц нанометров. Что касается генерации пикосекундных импульсов излучения, то полупроводниковый лазер может при этом работать в режиме модуляции добротности, а длительность тока накачки будет больше, чем длительность излучения. 9 1.3. Основные характеристики лазера. Согласно ГОСТ 24453-80 к основным параметрам и характеристикам лазерного излучения относятся: 1) Спектральные параметры и характеристики лазерного излучения. 2) Пространственно-временные параметры и характеристики лазерного излучения. 3) Параметры поляризации лазерного излучения. 4) Энергетические параметры и характеристики лазерного излучения, на которых остановимся подробнее. Среди энергетических параметров выделяют основные: - энергия импульса лазерного излучения; - энергия лазерного излучения; - мощность лазерного излучения; - плотность мощности лазерного излучения; - средняя мощность лазерного излучения - среднее значение мощности неизменного непрерывного или импульсно-модулированного лазерного излучения за заданный интервал времени; - средняя мощность импульса лазерного излучения; - максимальная мощность импульса лазерного излучения. Наиболее важным энергетическим параметром полупроводникового лазера, подлежащим измерению, является выходная мощность излучения Рout [1]. Все остальные характеристики (плотность мощности, энергия лазерного излучения и др.) функционально связаны с данным параметром. Всю группу энергетических параметров, в свою очередь, так же можно условно разбить на две подгруппы: 1) Временная подгруппа, куда можно отнести энергию W; энергию импульса Wи, среднюю мощность Pср; среднюю мощность импульса Pср.и; максимальную (пиковую) мощность импульса Pmax.и; длительность τ и частоту повторения импульсов f ; форму импульсов F. 2) Пространственная подгруппа, куда можно отнести плотность энергии W/A, где А – площадь поперечного сечения луча; плотность мощности (интенсивность) излучения I, относительное распределение плотности энергии (или мощности) в сечении луча; диаметр луча d; расходимость излучения θ; энергетическую расходимость θр. Рассмотрим каждую из этих подгрупп в отдельности. В соответствии с разделением лазеров по режиму работы (пункт 1.2) для энергетической характеристики излучения лазеров разного типа удобнее пользоваться разными величинами: 10 1. Для непрерывных лазеров такой характеристикой является мощность излучения Р. При проведении ее измерений приходится иметь дело с величинами порядка 10-3÷105 Вт. 2. Для лазеров, работающих в режиме одиночных импульсов, используется несколько величин: а) полная энергия импульса излучения W = tи ∫ tP ( t ) dt (2) 0 где tи – полная длительность импульса; Р(t)- функция мощности излучения. Диапазон энергий импульсов современных лазеров лежит в пределах 10-2÷105Дж; б) средняя мощность импульса Pср.и =Wи / tи . Диапазон ее значений для современных лазеров лежит в пределах 103÷1012Вт; в) пиковая мощность импульса Pmax.и, определяемая максимумом функции мощности Р(t). Иногда ее связывают с полной энергией импульса Wи. При этом кривую Р(t) мысленно заменяют на прямоугольник с высотой Pmax.и, и считают, что его площадь S0 равна площади Sи под кривой Р(t) (т.е. равна полной энергии импульса. Тогда, согласно рис. 3, из условия Sи = S0 следует Wи = Pmax.и τ, поэтому величина τ будет иметь смысл эффективной длительности импульса. В литературе ее называют просто длительностью импульса. Таким образом, для пиковой мощности импульса можно записать: Pmax.и =Wи / τ (3) P Sи = So τ So Sи Рис.3. Лазерный импульс. 11 t 3. Излучение лазеров, работающих в режиме повторяющихся импульсов, характеризуется аналогичными энергетическими величинами: а) полная энергия импульса излучения T W ∫ = tP ( t ) dt (4) 0 где T – период следования импульсов, определяемый как T =1/ f ; б) средняя мощность излучения T 1 W Pср = ∫ P(t )dt = и = f ⋅Wи T0 T (5) Ее вычисление поясняется рис. 4, на котором изображена периодическая последовательность импульсов излучения с частотой следования f =1/T . P Pмах.и Sи τ So Pср..и t T 0 2T Рис.4. Периодическая последовательность импульсов излучения. Мысленно заменим импульсное излучение на непрерывное, причем потребуем, чтобы полная энергия излучения сохранялась при такой замене. Очевидно, что для удовлетворения этого требования необходимо заменить каждый импульс на такой прямоугольный, длительность которого равнялась бы периоду следования Т, а высота, которую мы и назовем средней мощностью излучения Pср.и, удовлетворяла бы условию сохранения энергии или, другими словами, условию сохранения площадей Sи = S0: T 1 Pср = ∫ P (t ) dt = T ⋅Pср .и T 0 Тогда из (6) легко получается формула (5); 12 (6) в) пиковая мощность излучения Pmax.и определяется согласно формуле (3). Частота следования импульсов современных лазеров имеет величину порядка 1÷105 Гц, а средняя мощность излучения лежит в пределах 10-2÷106Вт. Отметим, что поскольку некоторые лазеры дают крайне короткие импульсы, для измерения мощности требуются малоинерционные приемники и связанная с ними аппаратура с соответствующим быстродействием. Применение лазеров в технологии во многом зависит от возможности концентрации энергии его пучка на малые площади. Такая возможность, в свою очередь, определяется пространственными характеристиками пучка и, прежде всего – видом функции, описывающей распределение интенсивности излучения в лазерном пучке. Именно вид этой функции и определяет все другие пространственные характеристики. Распределение интенсивности на выходной апертуре лазера определяется типом используемого резонатора и модовым cоставом возбуждаемых в нем колебаний. В случае одномодовой генерации лазера с устойчивым резонатором на основной моде TЕM00 это распределение описываемся кривой, близкой к распределению Гаусса: I (ω ) = I 0 ⋅ e 2ω 2 ω0 (7) где I0 – интенсивность на оси пучка; ω0 – условный радиус выходящего гауссова пучка – расстояние, на котором интенсивность излучения снижается в е2 раз. Величина I0 связана с полной мощностью излучения лазера P и радиусом пучка соотношением ∞ P = ∫ I (ω ) ⋅ 2πωdω = 0 π 2 ω0 ⋅ I 0 2 (8) При генерации на модах высшего порядка распределение имеет вид пятен или колец. В случае многомодовой генерации распределение интенсивности на выходной апертуре лазера будет определяться конкретным модовым составом и распределением энергии излучения между этими модами. Варьированием модового состава излучения можно существенно влиять на распределение интенсивности, подбирая его оптимальным образом для конкретных технологических процессов. 13 Глава 2. Устройство и принцип работы приемников излучения. Приемники излучения - устройства, предназначенные для обнаружения или измерения излучения и основанные на преобразовании энергии излучения в другие ее виды (тепловую, механическую, электрическую и т. д.). Все типы датчиков преобразуют энергию падающего излучения в электрический сигнал. Это удобно, поскольку электрические измерительные приборы обладают высокой чувствительностью и универсальностью. 2.1. Основные характеристики приемников излучения. Основными параметрами и характеристиками (приёмника) излучения являются следующие [2]: любого детектора 1. Чувствительность определяет изменение электрического сигнала на выходе приёмника при подаче на приёмник некоторого единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность определяется как отношение изменения измеряемой электрической величины, вызванного освещением фотоприёмника, к некоторой количественной характеристике падающего излучения. Чувствительность приёмника излучения не является строго определённой константой приёмника, а зависит от параметров излучения. В частности, различают статическую Sstat и дифференциальную чувствительность Sdiff. Первая определяется отношением постоянных величин отклика (тока или напряжения) и воздействия (какой-либо из перечисленных световых или энергетических характеристик излучения), а вторая – отношением их малых приращений. Шумовые и пороговые параметры. На выходе приёмника помимо полезного сигнала всегда присутствует так называемая шумовая составляющая, то есть некоторый хаотический сигнал со случайной амплитудой и в общем случае со случайным спектром. Очевидно, что при малой величине полезного сигнала шум может не позволить измерить такой сигнал сколь угодно точно, равно как он не позволяет измерять сколь угодно малые сигналы. Для повышения отношения сигнал-шум падающее на приёмник излучение модулируют и используют усилитель с узкой полосой пропускания Δf (f – частота сигнала) в окрестности частоты модуляции fмод. В 2. этом случае усиливается весь полезный сигнал, а шум усиливается лишь в полосе пропускания Δf, в которую попадает лишь малая часть энергии шумового сигнала. В качестве критерия пороговой чувствительности используется равенство напряжения U0 (или тока) выходного сигнала, частота которого равна частоте 14 модуляции f мод оптического сигнала, и среднеквадратического напряжения шума <U > в полосе Δf = 1 Гц с центром в точке f ш . мод Пороговой чувствительностью или эквивалентной мощностью шума называют мощность оптического излучения P на входе, при которой 0 выполняется указанный выше критерий. Обнаружительной (детектирующей) способностью приёмника называют величину, обратную пороговой чувствительности. Величина P при прочих равных условиях зависит от площади рабочей 0 поверхности детектора, поэтому для сравнения детекторов также используют нормированную пороговую чувствительность, либо нормированную обнаружительную способность. Нормировка проводится либо на площадь рабочей поверхности детектора, либо на характерный линейный размер (корень из величины рабочей площади). 3. Инерционность. Инерционность - это реакция приёмника на внешний оптический сигнал. Запаздывание отклика приёмника происходит в силу нескольких физических процессов в приёмнике, что даёт разные скорости насыщения соответствующих экспонент, но приближённо можно описывать совокупность процессов одной экспонентой: t U = U o 1 − exp τ (9) где U0 – сигнал детектора в насыщении при постоянном внешнем освещении, t – время, протекшее с момента включения внешнего освещения, τ – постоянная времени. Постоянная времени τ – время, в течение которого величина U спадает в е раз. 2.2. Типы приемников излучения Все приёмники излучения подразделяются на квантовые (фотоэлектронные умножители, фотодиоды) и тепловые, на которых остановимся подробнее, поскольку в комплект измерительного оборудования LabMax-Top включены датчики этого типа. Тепловые приёмники основаны на преобразовании части энергии падающего излучения в тепловую энергию, которая затем преобразуется в электрический сигнал. Преобразование происходит за счёт термоэлектрического эффекта, изменения сопротивления при нагревании рабочего тела детектора (болометры), оптико-акустического эффекта, пироэлектрического эффекта и ряда других. 15 2.2.1. Принцип работы термопарного приемника излучения. Термопары (термоэлементы) были первыми приемниками для обнаружения и измерения ИК-излучения. Основным элементом термопары является переход на контакте между двумя различными полупроводниками с большим коэффициентом Зеебека Θ . Лучшими элементами для приемника на основе термопары являются материалы с максимальным значением термоЭДС, которая возникает из-за разности температур между двумя металлами. Термоэлектрические приёмники основаны на возникновении термоэдс при нагревании спая двух разнородных металлов: при поглощении излучения, верхний слой (спай) приобретает более высокую температуру относительно нижнего слоя, электроны из нагретого спая будут переходить в холодный и появится диффузия электронов сверху вниз. Избыток электронов в холодной части спая создает отрицательный заряд, а в горячей части остается положительный некомпенсированный заряд. Возникает термо-ЭДС, и появляется ток. Если цепь проводников замкнуть через сопротивление нагрузки Rн, то на нем образуется напряжение U c . Количественно термо-ЭДС определяется соотношением: ∆U c = α T ∆T (10) где α T - коэффициент термо-ЭДС, численно равный разности потенциалов, возникающей при разности температур спаев в 1 К. Постоянная времени термопарных приемников от 10 до 50 мс. Термопарные датчики, входящие в комплект измерительного оборудования LabMax-Top обеспечивают: 1)Уровень шумов не более 1.2 мкВ. 2)Разрешение шкалы измерения не хуже 0.1% от максимального значения. 3)Инструментальную погрешность, вносимую измерителем не более 1%. 4)Время ответа не более 2 c. 5)Погрешность измерения мощности излучения не более 1 % - Термопарный датчик PM10, 6)Погрешность измерения мощности излучения не более 0.1 Вт - Термопарный датчик PM300F-50. 2.2.2. Принцип работы пироэлектрического приемника излучения. Еще одним распространенным типом тепловых приемников являются пироэлектрические приемники, в основе которых лежат кристаллы сегнетоэлектриков, в которых заряды возникают вследствие изменений температуры под воздействием лучистой энергии. Их действие основано на 16 изменении поляризации пироэлектрического кристалла при изменении его температуры: При попадании излучения (1) на поглощающее покрытие (2) (рис.5) происходит нагрев пироэлектрического материала, дипольный момент изменяется, и на поверхности кристалла появляются электрические заряды (3). Эти заряды вызывают в цепи нагрузки Rн электрический ток, напряжение сигнала оказывается прямо пропорциональным сопротивлению нагрузки. Поэтому в пироэлектрических приемниках сопротивление нагрузки выбирается не меньшим, чем 1 ГОм и используются дифференциальные усилители (4) с большим входным сопротивлением на полевых транзисторах. 3 П о д л о ж к а 1 2 Rн 4 Рис.5. Схема пироэлектрического приемника. Постоянная времени пироэлектрического приемника может достигать -7 -9 1/2 значения ~ 10 с, а пороговая чувствительность ~ 10 Вт/Гц . Для уменьшения постоянной времени всех типов тепловых приемников необходимо добиваться минимальной теплоемкости рабочего тела приемника и его минимальной теплопроводности. При работе с тепловыми приемниками целесообразно применять модуляцию светового потока. Пироэлектрические датчики, входящие оборудования LabMax-Top обеспечивают: в комплект измерительного 1)Уровень шумов не более 1.2 мкВ. 2)Инструментальную погрешность, вносимую измерителем не более 1%. 3)Время ответа не более 2 c. 17 4)Уровень энергии эквивалентной шуму не более 20 нДж - Пироэлектрический датчик J10MB-LE, 5)Энергию эквивалентную шуму не более не более 16 мкДж Пироэлектрический датчик J25MB-HE. 6)Детектирование импульсов лазерного излучения с частотой следования в диапазоне, включающем значения от 1 до 1000 имп/с. 18 Глава 3. Измеритель мощности Lab Max-Top. Оборудование обеспечивает анализ и мониторинг непрерывного и импульсного лазерного излучения и измерение средних мощностей лазерного излучения и включает следующие основные функциональные компоненты: 1. Измеритель LabMax-Top. 2. Датчик PM10. 3. Датчик PM300F-50. 4. Датчик J10MB-LE. 5. Датчик J25MB-HE. Внешний вид измерителя и его функциональные единицы приведены в приложениях 1 и 2. 3.1. Измерения мощности с помощью термопарного датчика. Для подготовки оборудования к проведению мощностных измерений нужно выполнить несколько последовательных этапов: Рис.6 а. Боковая панель измерителя Рис.6 б. Этапы измерения мощности с LabMax-Top помощью термопарного датчика. 1. Подключить термопарный датчик к 25-контактному разъему (1) измерителя LabMax-Top (рис.6 а) 2. Нажать клавишу 2 – измерения (рис. 6 б) 3. Нажать клавишу 3 – диапазон и кнопкой выбора указать необходимый диапазон измерений. 19 4. «Заблокировать излучение» и кнопкой Zero (4) установить базовую линию для новых измерений. 5. Провести измерения в соответствии с требуемой методикой. 3.2. Измерения энергии с помощью пироэлектрического датчика. Перед проведением энергетических измерений выполняются следующие этапы: Рис.7. Фронтальная панель измерителя LabMax-Top. Этапы измерения энергии с помощью пироэлектрического датчика. 1. Подключить пироэлектрический датчик к 25-контактному разъему (1) измерителя LabMax-Top (рис.6 а) 2. Нажать клавишу 2 – измерения (рис.7) 3. Если в данный момент в качестве единиц измерения выбраны Ватты, изменить конфигурацию на Джоули (клавиша 3). 4. Нажать клавишу 4 – диапазон и кнопкой выбора указать необходимый диапазон измерений. 5. Установить уровень переключения (клавиша 5), убедиться, что порог переключения ниже предполагаемого уровня измерений и выше уровня шума. 6. Проводить измерения в соответствии с требуемой методикой. 20 3.3. Сохранение данных. Сохранить полученные данные можно, выполнив следующие этапы: Рис.8а. Фронтальная панель измерителя Рис.8б. Фронтальная панель измерителя LabMax-Top. Этапы сохранение данных. LabMax-Top. Этапы сохранение данных. 1. После проведения измерений нажмать кнопку 1 – направление (рис. 8 а). 2. Клавишей 2 – File Manager задать путь сохранения данных /локальный носитель. 3. Нажать Ввод – 3. 4. Нажать 4 – установить направление. 5. Задать величину выборки в памяти устройства, выделяемую для сохранения данных. 6. Нажать сохранить – 6. 7. Создать файл –7 8. Задать имя файла. 9. Сохранить – 9. 10. Нажать Старт – 10. 11. Когда завершится процесс заполнения выделенного объема памяти, нажать Сброс – 11. 21 3.4. Перенесение данных на Flesh-носитель. Выполняются следующие шаги: Рис.9. Фронтальная панель измерителя LabMax-Top. Этапы перенесения данных на Fleshноситель. 1. Подключить flesh-носитель к разьему на боковой панели – 1 (рис.9). 2. Нажать кнопку направление – 2. 3. Клавишей 3 – File Manager задать путь сохранения данных /локальный носитель. 4. Выделить цветом (подсветкой) файл, который хотите сохранить. 5. Нажать клавишу 5 – копирование файла. 6. Клавишей 6 выбрать папку, в которую будет производиться копирование. 7. Нажать кнопку Ввод. 22 Глава 4. Описание методик измерения энергетических характеристик. По способу накачки испытуемого лазерного диода можно выделить две методики измерения энергетических характеристик полупроводникового лазера: 1) Методика измерения энергетических характеристик в непрерывном режиме накачки. 2) Методика измерения энергетических характеристик в импульсном (импульсно-периодическом) режиме накачки. 4.1. Методика измерения энергетических характеристик в непрерывном режиме накачки. Для реализации данной методики необходимо собрать рабочую схему, как показано на рис. 10. 1 4 2 3 5 6 Рис.10. Блок-схема установки для измерения энергетических характеристик в режиме непрерывной токовой: 1 – источник тока лазера, 2 – источник тока элемента Пельтье, 3 – держатель полупроводникового лазера с элементом Пельтье, 4 – полупроводниковый лазер, 5 – приёмник излучения, 5 – измеритель LabMax-Top. Подключение измерителя и датчика производится по инструкции, приведенной в разделе 3.2. Для питания лазера и элемента Пельтье используются источники постоянного тока (1, 2). Исследуемый лазерный диод (3), укрепленный на медном держателе, фиксируют на держателе с элементом Пельтье (4), приёмник излучения (5) устанавливают вблизи излучающей грани лазера. Энергетические параметры лазерного диода фиксируются измерителем LabMax-Top (6). Необходимо обратить внимание на то, что для лазера в непрерывном режиме накачки применяется принудительное охлаждение (температурная стабилизация), например, с помощью элемента Пельтье. 23 4.2. Методика измерения энергетических характеристик в импульсном (импульсно-периодическом) режиме накачки. Для реализации такой методики необходимо собрать рабочую схему, как показано на рис. 11. 6 1 2 4 5 И И-П 7 8 3 Рис.11. Блок-схема установки для измерения энергетических характеристик в импульсном и импульсно-периодическом режимах накачки: 1 – источник питания генератора импульсов, 2 – генератор импульсов, 3 – лазерный диод, 4 – приемник излучения, 5 - измеритель LabMax-Top, 6 - электронный осциллограф Tektronix TDS5054B, 7 – переключатель режима накачки (И – импульный, И-П – импульснопериодический), 8 – кнопка запуска импульса тока накачки. Подключение измерителя и датчика производится по инструкции, приведенной в разделе 3.1. Приемник излучения (4) устанавливается вблизи излучающей грани полупроводникового лазера (3). Для визуализации подаваемого импульса тока и определения его величины используется электронный осциллограф Tektronix TDS5054B (6), выходные энергетические параметры лазерного диода фиксируются измерителем LabMax-Top (5). Для питания лазерного диода используют генератор импульсного тока (2). Переключение режима работы генератора импульсов производится переключателем (7), запуск импульса осуществляется вручную кнопкой (8). При квазинепрерывном режиме накачки (особенно при токах накачки значительно превышающих пороговое значение) целесообразно использовать принудительное охлаждение лазерного чипа. Если одновременно с измерением энергетических характеристик с помощью осциллографа Tektronix TDS5054B контролировать падение напряжения на лазере, то можно построить зависимость КПД от тока накачки. Пример подобной зависимости в приложении 3. 24 Глава 5. Подготовка образцов к измерению. Объектами измерений являются полупроводниковые лазерные диоды, изготовление которых включает в себя следующие основные этапы: 1) Выращивание лазерной InGaAs/GaAs/InGaP гетероструктуры методом МОС-гидридной эпитаксии. Лазерная гетероструктура на подложке n-GaAs создается методом газофазной эпитаксии (ориентирванный рост кристаллов) из метало-органических соединений (МОС-гидридная эпитаксия): газовая смесь при высокой температуре пиролитически разлагается вблизи поверхности роста, и элементы третьей группы взаимодействуют с элементами пятой группы, образуя соединения AIIIBV. В результате происходит послойное формирование полупроводникового соединения. Для получения слоев с необходимым типом проводимости, в процессе роста в газовую смесь добавляют специальный легирующий компонент, например: силан (SiH4) для получения слоев n-типа, диэтил цинк - для слоев р-типа. Таким образом, формируются слои гетероструктуры, выполняющие роль волноводных (i-GaAs слои), ограничивающих (n-InGaP и р-InGaP слои), контактного p-GaAs слоя и активной области (InGaAs квантовая яма) полупроводникового лазера (рис.12). Волноводный слой Контактный слой Ограничивающий слой p-типа Активная область Ограничивающий слой n-типа Волноводный слой Подложка n-GaAs Рис.12. Схема лазерной гетероструктуры с квантово-размерной активной областью Выращенная гетероструктура проходит серию постростовых этапов обработки, которые могут отличаться. Ниже представлены некоторые основные этапы: 25 2) Формирование полосковой геометрии активной области на лазерной гетероструктуре. На выращенной лазерной структуре фотолитографическим способом с применением химической обработки (травление контактного слоя вне активной полоски) сформируется полосковая геометрия активной области. 3) Формирование высокоомных областей на лазерной гетероструктуре методом ионной имплантации. Для электрической изоляции структуры вне активной области вскрытую поверхность ограничивающего слоя подвергают имплантации ионами Н+. 4) Создание омических контактов на лазерной гетероструктуре термическим испарением. Омические контакты на лазерную гетероструктуру наносятся методом термического испарения в вакууме. 5) Разделение лазерной структуры на чипы. Завершающим этапом серии постростовой обработки, является разделение лазерной структуры на чипы. Структура раскалывается по кристаллографическим плоскостям (110), сколотые грани чипа служат зеркалами резонатора гетеролазера. На рис.13 представлен внешний вид бруска готовой лазерной гетероструктуры. 3 Lрез W 2 1 Рис.13. Внешний вид бруска лазерной структуры. 1, 2 – зеркала резонатора, 3 – активная область, W – ширина лазерного чипа, Lрез – длина резонатора. 6) Монтаж лазерных чипов на теплоотвод. Прошедшая серию постростовых этапов обработки и расколотая на чипы, структура эпитаксиальными слоями припаивается к теплоотводу. Теплоотвод в 26 свою очередь выполняет также функцию одного из электрического контакта. Непосредственно монтаж лазерных чипов производится на установке FINEPLACER-lambda рис 14. Второй электрический контакт формируется с помощью металлической перемычки посредством ультразвуковой сварки или индиевого припоя через контактную площадку, установленную на теплоотводе. Рис.14. Установка сверхточного монтажа лазерных чипов FINEPLACER-lambda 27 Глава 6. Подготовка оборудования к измерению. Для реализации одной из схем измерений (см. пункт 4.1, 4.2) необходимо, определиться с выбором приемника излучения и установить требуемые параметры измерений. Параметры пироэлектрических и термопарных датчиков, входящих в комплект измерительного оборудования (пункт 3) приведены в таблицах 1 и 2. Таблица.1. Параметры пироэлектрических датчиков. Пироэлект Диапазон рические длин датчики волн, мкм Диапазон энергий, Дж Средняя мощность лазерного импульса, Вт Длительно сть лазерного импульса, мкс Частота следования лазерных импульсов, имп/с J10MB-LE J25MB-HE 3*10-7-6*10-4 5*10-4 - 1 0-4 0-5 до 17 до 17 1 - 1000 1 - 1000 0.19 - 12 0.19 - 12 Таблица.2. Параметры термопарных датчиков Термопарные датчики PM10 PM300F-50 Диапазон длин волн, мкм Диапазон мощностей, Вт Плотность мощности лазерного импульса, кВт/см2 Плотность энергии лазерного импульса, Дж/см2 0.19 - 11 0.19 - 11 0,01 - 10 1 - 300 до 26 - до 0.6 - Для измерения энергетических характеристик лазерного диода, работающего в непрерывном режиме и излучающего в ближнем инфракрасном диапазоне, используют термопарные датчики. Если мощность лазерного излучения, предположительно, находится в диапазоне от 100 микроватт до единиц ватт, то наиболее приемлемым вариантом будет использование датчика модели РМ10. Для измерения энергетических характеристик лазера импульсного режима, работающего в ближнем инфракрасном диапазоне, применяют пироэлектрические приемники. Детектирование излучения гетеролазеров с, предположительно, высокой энергетикой (выше 500 мкДж) целесообразно проводить датчиком модели J25MB-HE. 28 Перед проведением энергетических измерений необходимо исследовать расходимость лазерного излучения, поскольку для получения достоверных результатов необходимо, чтобы лазерное излучение полностью собиралось активной областью приемника. Кроме этого, вне зависимости от типа датчика, важно помнить, что превышение допустимой плотности мощности (энергии) на единицу площади поверхности активной области датчика может привести к выходу из строя измерительного оборудования. Размеры активной области приемников, входящих в комплект измерительного оборудования LabMaxTop, приведены в таблице 3. Таблица 3. Размер активной области приемника излучения. Модель датчика J10MB-LE J25MB-HE PM10 PM300F-50 Диаметр активной области, мм не менее 10 не менее 25 не менее 19 не менее 50 29 Глава 7. Получение и обработка результатов. Данные, получаемые с измерителя LabMax-Top по одной из методик, описанных в разделе 5, переносят на компьютер. На основании полученных данных строят следующие зависимости: 1. В случае накачки одиночным импульсом тока получают: - энергетическую зависимость лазерного излучения от тока накачки. - мощность лазерного излучения от тока накачки. - коэффициент полезного действия (КПД) от тока накачки. Энергетические характеристики лазерного диода, полученные в режиме накачки одиночным импульсом тока, приведены в приложении 3. 2. В случае импульсного, квазинепрерывного или непрерывного режимов накачки, выходной характеристикой является зависимость мощности излучения лазера от тока накачки (Ватт-амперная характеристика - ВтАХ). На основании выходных данных измерителя, перенесенных на компьютер строится ВтАХ, из которой определяют следующие параметры: - пороговый ток Iп (путем экстраполяции участка ВтАХ, имеющего больший угол наклона к оси токов – после пороговая область) - внешняя квантовая эффективность ηex. Определяется по углу наклона после пороговой области ватт-амперной характкристики. - коэффициент полезного действия (КПД) ηс. Определяют как отношение выходной оптической мощности Рout к подводимой электрической мощности: ηc = Pout I ⋅U (11) Кроме того, существуют дополнительные возможности измерителя LabMaxTop, позволяющие в режиме реального времени наблюдать форму лазерного импульса, по которому определяются энергетические параметры, описанные в разделе 2.3. Электронный осциллограф Tektronix TDS5054B, подключенный к измерительной схеме (пункт 5.1, 5.2), позволяет визуализировать форму реального импульса, подводимого к лазерному диоду, и передать данные на компьютер. По форме импульса может быть определена реальная электрическая мощность, подводимая к лазерному диоду. *** Составители выражают благодарность Горшенину М.К. за помощь в оформлении данного методического пособия. 30 Приложения. Приложение 1. В данном приложении приводится внешний вид измерителя LabMax-Top и его функциональные элементы. Рис.15. Фронтальная панель измерителя LabMax-Top. Рис.16. Боковая панель измерителя LabMax-Top. 31 Рис.17. Задняя панель измерителя LabMax-Top. Приложение 2 В данном приложении приводятся приемники излучения, которыми укомплектован измеритель LabMax-Top. Рис.18. Датчик PM10. 32 Рис.19. Датчик PM300F-50 Рисч.20. Датчик J10MB-LE 33 Рис.21. Датчик J25MB-HE 34 Приложение 3 В данном приложении приводятся энергетические характеристики лазерного диода, полученные в режиме накачки одиночным импульсом тока. 120 100 E, мкДж 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 I, A Рис.22. Энергетическая зависимость лазерного излучения от тока накачки 25 P, Вт 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 I, A Рис.23. Зависимость мощности лазерного излучения от тока накачки 35 ηc ,% 12 9 6 3 0 0 20 40 60 80 100 120 140 I, A Рис.24. Зависимость коэффициента полезного действия от тока накачки 36 Литература 1. Тимофеев, В.П. Лекции по концентрированным потокам энергии и физическим основам их генерации // Тимофеев В.П., Ветров С.Я., Архипкин В.Г., Тимофеев И.В. //Учебное пособие. – Красноярск: ИПЦ СФУ – 2007 200с. 2. Марычев М.О., Горшков А.П. Практическое руководство по оптической спектроскопии твердотельных наноструктур и объёмных материалов. Учебнометодический материал по программе повышения квалификации «Физикохимические основы нанотехнологий» // Нижний Новгород – 2007 - 89 с. 3. Кейси, Х. Лазеры на гетероструктурах: в 2-х томах / Х. Кейси, М. Паниш.– М.: Мир - 1981. – Т.1. – 304 с. 4. Кейси, Х. Лазеры на гетероструктурах: в 2-х томах / Х. Кейси, М. Паниш. – М.: Мир - 1981. – Т.2. – 368 с. 5. Жуков, А.Е. Лазеры на основе полупроводниковых наногетероструктур/ А.Е. Жуков. – СПб.: ООО «Техномедиа» / Из-во «Элмор», 2007. – 304 с. 6. LabMax-TOP User Manual / Coherent Inc. – 2009. 37
